3D打印引领医学革命

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3D打印引领医学革命5 z, l, b. T. h1 [
2014-03-10 1 来源：南方周末 作者：吕洛衿 & m4 Z: i. y! q% P( E! z

! b0 t: y$ u3 U/ Q! U( N9 n/ x% E3D打印的肾脏模型已经可以产生尿样物质。3 \6 z' F- |& G( w" \6 _- S
打印肾脏和皮肤可能距真正临床应用于患者还很遥远，但是神奇的3D打印已经广泛用于临床了。" C/ I/ v; g* I1 `0 Z+ b1 F
2012年，美国俄亥俄州。刚生下来6周的小男孩凯巴（Kaiba Gionfriddo），开始出现呼吸困难，拒绝进食。两个月的时候，小凯巴的症状越来越糟糕，已经无法自主呼吸了，医生必须给他插上气管插管维持呼吸。; `- v! Z! V: J" r: L( e: l1 Q. P( l
检查发现，小男孩患上了极端罕见的先天性支气管软化症，气管自行塌陷，无法自主呼吸，必须依赖气管插管生活。无奈之下，父母四处求医。最后被介绍到了密西根大学医学院。该医院的医生和研究人员一再商讨之后，搬出了救命的仪器：3D打印机。他们根据CT的3D成像，使用3D打印机用生物塑料材料打印了近百个气管支架。在得到美国食品药物管理局（FDA）的紧急批准之后，给小凯巴移植了这个3D打印出来的气管支架。术后，小凯巴开始了自主呼吸，7天后撤离呼吸机。数周后，小凯巴出院，再也没有出现过窒息危险。这个气管支架是用可以降解的材料做成，3年后即会自行吸收，到那时，他的气管也会发育成熟，不再需要支架了。, I& u& X; P0 z
这是世界第一例3D打印的气管用于临床。, e8 X# c, [% D1 `! V( L: d1 b

- a4 j. @# F+ K8 M8 y2014年2月25日，美国肯塔基州的Kosair儿童医院，心脏外科医生在对一个患有心脏病的幼儿进行复杂的手术之前，用3D打印的模型规划和实验，保障了手术的成功完成。孩子的母亲事后接受采访说：“我无法表达我的感受。” ( k. X" Y3 n! M. O
科幻小说？
  z- g5 s" J/ J5 H9 ^1 q; N  A5 ?* p听起来像是科幻小说。但是，想象一下，如果有一天，我们可以用打印机打印出肝脏、肾脏甚至心脏，是不是更像科幻小说呢?
6 V* [/ }4 g  a* T# y* ]% S也许用不了几年，这就会成为现实。
1 g" `  w0 x/ I, K1 M+ s先来简单介绍一下什么是3D打印。; `0 F# ^0 `* D6 R
3D打印又叫累积制造技术，是一种利用计算机的数字模型为基础，使用粉末状金属或塑料或者其他可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。传统的打印是将油墨打印在纸上，只有二维。3D打印就是一层层地将粘合材料累积上去，打印机根据计算机做好的模型，将材料堆积成立体的产品。与传统的机械制造主要通过削除材料完成产品的方式不同，3D打印可以简单地做成以前很多不太可能或者复杂无比的产品。. G5 K% _  C+ a: K
最早的3D打印出现在1980年代，但是直到2010年代3D打印机才开始广泛出现。据统计，2012年3D打印市场达到了22亿美元，2011年上升了29%。现在广泛用于建筑、制造、工业设计、汽车制造、航天事业等等。但是正如所有的新科技一样，一项新的技术总是率先用于两个领域——杀人和救人，也就是军事和医学。
, J; A; s6 H# G8 D5 {" x/ d因为3D打印的小巧、方便，成本相对低，且可以通过选择不同材料，利用计算机辅助设计出复杂的结构，近些年来3D打印已经在医学应用上发展迅猛，可以说打开了一扇全新的大门。
2 ?4 h3 J- g% H在这个领域，欧美当仁不让，领先全球。2011年，北卡的Wake Forest再生医学研究所的Anthony Atala博士在TED演讲中展示了他们使用3D打印机打印出来的人体肾脏。他们使用培养出来的肾脏细胞作为打印材料，一层层将细胞打印在提前设计好的虚拟模型上。第一层是细胞，第二层是水凝胶用来粘合固定细胞。然后一层层重复，直到整个肾脏打印出来。等到细胞存活了，水凝胶被降解，留下来的只有细胞。这样细胞就形成一个完整器官结架。这个初期的肾脏再被移到培养器中，提供养分，促进生长。Atala博士的实验室已经观察到这个初期肾脏模型产生了尿样物质，表示已经有了部分肾脏功能。
' o( X4 L. d2 z* K  `; m2013年，瑞典的科研人员成功地利用3D打印技术打印出人工皮肤瓣，并且成功地生长出血管。更惊人的是，他们第一次成功利用3D打印生成了淋巴管。这个皮瓣在大鼠身上成功植皮。这个突破性的进展解决了人工皮瓣缺乏淋巴管无法存活的问题。如果加上干细胞技术，不久的将来也许就可以很容易合成皮瓣移植了。对于烧伤病人来说，这无疑是巨大的福音。* c7 _2 L( K" d& \) }% @* S
这个打印的肾脏和皮肤可能距真正临床应用于患者还很遥远，但是有一些技术已经离临床很近了。3 K8 L) S2 ^( j( ?* M2 \+ t
2013年，康奈尔大学使用3D打印打印出了世界第一个耳朵。每年有数以万计的人，因为先天发育或者疾病或者事故失去整个或者部分耳朵。传统的耳朵再植是利用肋软骨作为耳朵软骨的替代。但是这样做出来的耳朵外观既不美，功能也不是很好。他们利用计算机扫描出患者对侧正常耳朵，然后使用3D打印机打印出对称的耳朵模型，在此模型里注入胶原蛋白，作为软骨生长的支架。这样做出来的耳朵形状合适，外观美观。他们相信，3年后就可以进入临床。
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3D打印机打印出的耳朵模型。
4 g7 m$ ]: w9 b神奇的应用; g5 ?. S0 R/ }. ^1 T$ e
这样的新闻尽管让人兴奋，但仍然看似遥远。其实3D打印已经广泛用于临床了。8 c* K2 m0 S# P
比如打印假牙，或者完美吻合的牙套。2012年，日本的Fasotec公司开始提供腹中的胎儿的3D打印模型，可以让父母提前看到真实的孩子形象。华盛顿地区医院使用3D打印机打印出患者的心脏模型，提供给心脏外科医生术前实践练习。
, [/ Y! K( L$ X! F还有更多神奇的应用出现在医院里。
! I+ x+ p% d5 G  h  z- M5 _8 `; N2011年，荷兰一位83岁的女性因为感染失去了下颌骨。而传统整形手术因为年事太高不能进行。医生们与3D打印公司Layer Wise合作，用钛粉作为打印材料，根据3D扫描的图像，打印出一个完美的下颌骨。表面覆盖生物陶瓷以避免排斥。移植回老人的下巴后，完美愈合。9 u, B6 |3 u1 j6 u
4年前，英国人Eric Moger发现左脸部长出恶性肿瘤。为了保住生命，医生切除了左脸大部分，包括眼睛、颧骨、下颌骨，留下一个巨大的洞。他无法正常说话和进食，更不敢出门，因为看起来太恐怖了。之后的整形手术也因为放化疗的影响宣告失败。痛苦了4年的Eric，终于在3D打印的帮助下获得了新生。伦敦的齿科医生Andrew Dawood用3D打印机按照右脸给他打印了个完美左脸。先用钛粉打印出缺失的骨骼，然后在此基础上用生物尼龙打印出脸部组织。当打印出来的左脸完美吻合并固定后，Eric终于可以用嘴巴喝水了。他说：“当我装上这个左脸后，喝下第一口水，没有水漏出来。这太神奇了。”
4 I' Y. w$ R; a+ W6 R. ~5 K2013年，英国的一位60岁男性不幸患了骨盆软骨肉瘤。这种恶性肿瘤对化疗放疗都不敏感，效果很差。唯一的选择就是切除大半个骨盆。因为需要切除的部分太多，以至于传统手工做出来的植入骨盆没法与残存骨盆连接。而没有骨盆，就意味着支撑下肢的股骨无处着力，这个病人面临着残废的危险。Newcastle Upon Tyne医院的医生们想到了3D打印技术。于是他们在术前用CT扫描出完整的3D结构的骨盆模型，精确设计需要切除的部位，然后将这个切除的部分的详细3D图像上传给计算机。计算机根据这个3D图像，驱动3D打印机，使用钛粉作为打印油墨，精确地打印了切除的半个骨盆。医生再在这个钛骨盆表面镀上特殊的物质，以便残留骨盆可以连接生长。移植手术非常成功。现在这个病人已经可以拄着拐杖走路了。% [* {+ a: W7 y2 g; `* _/ V
2012年，比利时一位男子在车祸中几乎失去整个面部骨骼。如果采用传统办法，几乎没有还原的可能，因为面部骨骼太复杂，要做出与对侧一致的面部是不可能的。Morriston医院组织了一个65个人的团队，找到3D打印公司Cartis合作。他们利用CT扫描出对侧存留面部骨骼，计算机绘制出患侧需要移植的骨骼形状。再利用钛粉作为打印材料打印出需要填补的骨骼。移植手术非常成功，病人破碎的脸终于得以还原。术后7天，这个病人就开始开口讲话了。这个完美的3D打印用于临床因为太过超现代，手术还没做之前，伦敦的科学博物馆就已经将它收入馆藏记录了。+ b( h; K: X! F
更加神奇的事情发生在美国。2013年，美国康涅狄格州一名男子因为交通事故失去75%的头盖骨。传统骨科苦无良策。幸运的是，此时的3D打印已经渐渐成熟。当地一家3D打印公司Oxford Performance Materials伸出了援手。该公司擅长生物打印技术。他们利用原来的颅骨影像，使用3D打印技术，使用更加先进的生物高分子聚合体材料打印出需要补缺的头骨，形状边缘均完美吻合，甚至连颅骨孔都完美设计。2013年2月通过FDA审批，于同年3月手术成功移植。患者获得了一个新的头颅。这在过去是无法想象的。
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# N' f/ \- z. D( B4 D0 }! F英国患者因恶性肿瘤而切除了左脸的大部分。% U5 Q# `; e6 p& w! I2 p

, f3 L$ h* y7 K) L7 W3 P医生用3D 打印机给他打出了左脸。
" R- z. A+ \/ e; {1 _用细胞打印
9 f; m* v/ _/ G不光使用工业材料打印模型用于临床，真正使用细胞来打印也已经出现了。
9 Q% I2 n) y  n& j0 T6 z6 Z# n) @2013年，爱丁堡的Heriot-Watt大学的研究人员发明了干细胞打印机。材料是存活的胚胎干细胞。这种打印机可以喷出大小均一的干细胞悬液，保证细胞在打印出来仍然能够存活。再在干细胞构架上加入可以促使干细胞分化为各种需要的细胞的细胞因子，就可以随心所欲地合成各种需要的人体器官了。, R7 W% |' |* Z7 k) x  F# p
2013年12月，剑桥大学再生医疗研究所发表了一篇文章。历史上第一次成功地使用大鼠的视网膜的神经节细胞和神经胶质细胞3D打印出三维结构的人工视网膜。打印出来的人工视网膜细胞存活良好，并且开始分裂生长。尽管这个初步的实验只使用了两种细胞，是无法再现视力的，但因为很多盲人是因为视网膜细胞缺失导致的，而3D打印技术可以利用计算机完美安排各种细胞的具体位置和关联，这个突破性的进步为治愈失明带来了希望。作者Martin教授说：“我们计划扩展我们的打印技术来打印视网膜的其他细胞，下一步就是争取打印出有光敏的细胞，那时候，就有可能得到有光学功能的视网膜。”到那时候，盲人也许只需要移植一个打印出来的视网膜，就能重见光明。- |. t$ c# [6 l9 ?4 ?8 e
当然，最终的目标是打印出完整存活的器官以供移植所需。考虑到每年全球数以万计的等待器官移植的患者，可供器官极端缺乏，加上配型又极端困难，使用患者本身的细胞利用3D打印技术打印出一个完美、不排斥的器官来，将会是医学的梦想。
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打印出的人工皮肤可以长出血管。7 K( u/ t/ F, H7 u* H, Q: t
改变人类生活3 }/ ~; c/ V2 r
3D打印不光能打印器官，有朝一日也可以提高或者加强人类的能力,就像电影《机械战警》一样。普林斯顿大学的研究人员正在朝这个方向努力。他们将电子元件结合到细胞打印中去。年初，他们成功地使用水凝胶和小牛的细胞打印出一个人类的耳朵，在这个耳朵中，加入了由银纳米颗粒做成的电子天线。这个传感器可以接收人类耳朵听不见的频率。也许有一天，我们就可以装上这个耳朵，成了传说中的顺风耳。, X0 x$ Z  W. \3 X* x0 n
还有一些更加接近于临床实用的3D打印技术。比如传统的骨科石膏绷带笨重，不透气，也不能洗澡，痒了更是没辙。新西兰的Jake Evill发明了一种叫做cortex cast（皮质支架）的新型“石膏绷带”。这是通过扫描病人需要固定肢体部位，用3D打印机打印出完美吻合的支架。这个支架很轻便，也非常结实，关键是透气，洗澡也没问题，痒了更是可以挠。要不了几年，可能骨科就不再使用传统石膏，而是给你打印一个独一无二的轻便支架。2013年，北医三院的骨科医生使用3D打印机以钛粉作为材料打印出个性化的椎骨，已经在近50名患者体内植入成功。& h; }5 h$ Y1 c) H( I% w3 |1 K
这些我们实际经历的医学生物学的进步，有朝一日将会彻底改变人类的生活。到那时，也许换个器官就如同换个汽车零件一样容易。0 }, a% Q# ]0 S5 p1 T2 ?8 O

jessttt

3D打印已经涌入了生物科学的诸多领域了。现在热门的Ips技术甚至在某一种程度上还不如3D打印这么快和有效地重新得到自体细胞。尤其在获得干细胞层面上，比如获得造血干细胞，ips技术还困在筛选各种重编程因子的层面上，而3D打印却可以打印出活的细胞，甚至是有生命功能的干细胞。所以这个技术将来到底能走多远，真是一件值得期待的事情。

myvenus2006

当3D打印遇到了再生医学，就开始了比翼双飞

wanglimaomao

回复 jessttt 的帖子4 U% c8 c+ C9 v7 q! l8 [

7 K. D" d5 A, i4 A1 i1 S5 a5 N3D不能打印活的细胞，它是利用已有的细胞进行重新组装。所以，未来依靠iPS类作为种子细胞来进行3D技术还是很有前景的。

flagarmy

只是硬生生堆在了一起，局限性很大啊  A# o3 q( z) x

crazytime

可能是组织工程化的一个新方向

face0117

ips技术所产生的细胞，实质上是瘤细胞，对于这样一种技术应用于人体应当持怀疑态度，但用于科学研究是不错的选择。用人工方法培养出来的细胞与人体细胞所处环境不同，可能会导致某些未知的环境效应而使其真应用于临床的效果打折扣。而3D打印技术用于生命科学中，其实是在造故事。这种技术给人很多想象空间，可是机体内复杂的精密调节能用打印技术实现吗？所谓的3D打印技术，其实是利用各种材料实现对某种物品的外形结构进行复制，而其中的内在无形的联系用打印技术则很难实现。纵观目前所打印出来的器官，可以说是人体“不太重要”的器官，而像肝、肾、心等器官，我认为还需结合其它可以让神经内分泌调节等调节系统运作起来的技术，到那时才是欢呼的时候。

lipei77

不解决组织营养供给和代谢废物排放问题，人造组织都是伪概念，现阶段的3D打印也就是个噱头罢了

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不管怎么说，现阶段的3D打印技术应该能够相对较好的解决人体的支撑结构，起码比之以往的人工支架结构在构型与骨骼的吻合度上都会有不少的提高，即使不考虑活细胞组织3D打印技术的完美实现，单是应用于牙齿、骨骼、义肢再造等方面也都算是不小的进步了，所以个人感觉还是很有前景的。

碧螺春的秋天

3D打印在轮廓简单的耳朵，气管上初步开始发挥潜力，将来随着进一步发展，也许可以打印出心脏等器官，以此为框架填充由干细胞分化得来的一些特定组织细胞，再加上合适的外界环境诱导，也许可以在体外实现自体无免疫原性器官的培养，对于现在医学上很多器官衰竭的疾病的治疗会是很大的推动。